АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2012, том 4б, № 2, с. 99-118
УДК 523.34-3/-8
ВОДА И ДРУГИЕ ЛЕТУЧИЕ НА ЛУНЕ (ОБЗОР)
© 2012 г. А. Т. Базилевский, А. М. Абдрахимов, В. А. Дорофеева
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва Поступила в редакцию 06.12.2010 г.
В статье дается обзор результатов изучения различных форм воды на Луне. 1. Это — вода лунных недр, наличие которой удалось определить с помощью высокочувствительного масс-спектрометри-ческого анализа базальтовых стекол, доставленных экспедициями Аро11о-15 и -17. Прежние представления об абсолютной сухости лунных магм оказались опровергнутыми. 2. Это — Н2О и/или ОН в тонком (миллиметры) слое лунной поверхности, образующиеся в результате бомбардировки кис-лородосодержащего лунного вещества протонами солнечного ветра. Эта форма воды очень нестабильна и довольно легко покидает вещество поверхности, возможно, являясь одним из источников накопления льда воды на лунных полюсах. 3. Это — водный лед в ассоциации с другими замороженными газами в холодных ловушках на лунных полюсах. Его возможные источники — удары комет и метеоритов, выделение газов из недр Луны и протоны солнечного ветра. Лед полярных областей Луны, возможно, будет представлять практический интерес для дальнейшего освоения Луны.
ВВЕДЕНИЕ
В этом обзоре речь пойдет, в основном, о воде на Луне, но также, хотя и в меньшей степени, будет затронута проблема присутствия и других летучих соединений и органических веществ. Исследования последних лет резко изменили наши представления о присутствии этих компонентов на Луне. Она считалась абсолютно безводной и лишь в постоянно затененных участках на полюсах подозревалось присутствие льда воды, который мог накапливаться в этих холодных ловушках при поступлении паров воды различного происхождения (Watson и др., 1961). Представления о безводности Луны (кроме полюсов) опирались на результаты изучения образцов лунного вещества, привезенных американскими экспедициями Apollo и советскими автоматическими станциями Луна. В них не было найдено минералов, содержащих Н2О и ОН (а также СО2), что привело исследователей к выводу о резкой обедненности Луны водой и другими летучими компонентами (см., например, Haskin, Warren, 1991).
Эта особенность состава Луны находит соответствие и c наблюдаемой обогащенностью лунных пород труднолетучими компонентами, такими как Ca и Al. Последнее проявляется, например, в том, что плагиоклазы лунных морских базальтов, по сравнению с плагиоклазами земных базальтов, сильно обогащены анортитовым компонентом, а в материковых областях Луны обильны высококальциевые анортозиты (см., например, Papike и др., 1991; Taylor и др., 1991). Резкая обедненность Луны летучими компонентами и обогащенность труднолетучими вместе с некоторыми другими особенностями геохимии Луны послужила мотивацией для появления ряда физи-
ческих моделей образования спутника. Одна из них — модель "большого удара" — предполагает, что Луна аккумулировалась на околоземной орбите из горячих выбросов, образовавшихся при ударе по Земле космического тела размером с Марс (см., например, Hartmann, Davis, 1975; Can-up, Asphaug, 2001; Kleine и др., 2009).
Подозрения, что в полярных областях Луны есть повышенные концентрации водорода, вероятно, в форме льда воды, подтвердились в 1999 г., когда нейтронный детектор американского KA Lunar Prospector обнаружил там заметное уменьшение потока нейтронов (Feldman и др., 1998; 2000; 2001). Такие же измерения, но с лучшим пространственным разрешением, проводятся с конца 2009 г. на борту американского KA Lunar Reconnaissance Orbiter российским нейтронным детектором LEND (Lunar Exploration Neutron Detector) (см., например, Sanin и др., 2010; 2011; Mitrofanov и др., 2010; 2011). Результаты измерений нейтронного потока над полюсами Луны и полученные интерпретации будут рассмотрены ниже.
В 2008—2009 гг. измерения американским картирующим спектрометром Moon Mineralogy Mapper (M3) на борту индийского KA Chandrayan-1 показали наличие полосы поглощения Н2О/ОН в области З мкм почти на всей поверхности Луны (Pieters и др., 2009). Это было неожиданное открытие, к тому же эта полоса находится на длинноволновом краю спектрального диапазона измерений этого прибора, где мешает вклад теплового излучения поверхности Луны. Чтобы убедиться в реальности этой полосы, были заново пересмотрены данные наблюдений Луны, полученные в 1999 г. оптическим спектрометром VIMS с борта амери-
Рис. 1. Шарики зеленого и оранжевого стекла из сборов Apollo-15 (слева) и Apollo-17 (справа) под микроскопом. Поле зрения каждого из изображений 1 х 1.5 мм. Фото NASA.
канского КА Cassini на его пути в систему Сатурна (Clark, 2009), а также выполнены новые наблюдения Луны картирующим спектрометром SIM с борта американского КА Deep Impact/EPOXI (Sunshine и др., 2009). Результаты этих спектральных измерений и полученные интерпретации также будут рассмотрены ниже.
И, наконец, в 2008—2009 гг. были опубликованы результаты обнаружения следов воды и ряда других летучих компонентов методом масс-спек-трометрии вторичных ионов в считающихся пи-рокластическими зеленых и оранжевых стеклах из сборов Apollo-15 и -17 (Saal и др., 2008; Friedman и др., 2009; Hauri и др., 2009). А в 2010-2011 гг. были опубликованы результаты обнаружения следов ОН на апатитах из морских базальтов Луны (Greenwood и др., 2010; 2011a; 2011b; McCub-bin и др., 2010a; 2010b; Liu и др., 2010).
Таким образом, сейчас стало ясно, что вода (Н2О и/или ОН) на Луне есть и присутствует в трех очень разных резервуарах, которые будут кратко охарактеризованы в следующем порядке: 1) Н2О и другие летучие в магматических системах Луны; 2) Н2О и/или ОН в тонком (первые миллиметры) слое на большей части поверхности Луны; 3) Н2О и другие летучие в реголите полярных областей Луны. Эти три разновидности воды также называют: вода лунных недр или ювениль-ная вода, поверхностная вода и захороненная вода.
ВОДА И ДРУГИЕ ЛЕТУЧИЕ В МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЛУНЫ
Как было сказано выше, отсутствие в доставленных на Землю образцах лунных пород минералов, содержащих Н2О и СО2, послужило основой для представлений о том, что магматические системы Луны, а значит и Луна в целом, обеднены летучими компонентами. Были многочисленные попытки измерить содержания этих компонентов в различных образцах, в том числе и в зеленых и оранжевых стеклах из сборов Apollo-15 и -17 (см.,
например, Epstein, Taylor, 1973; Friedman и др., 1972; Kaplan, Petrowski, 1971; Gibson, Moore, 1973; Gibson, 1977). Это были не локальные измерения, а измерения валовых содержаний в исследуемых образцах. Обнаруживаемые очень низкие содержания водорода (порядка 0.1—1 мкг/г) и частично углерода были интерпретированы как имплантированные компоненты солнечного ветра, а следы молекулярной воды — как земные (лабораторные) загрязнения.
В 1978 г. была опубликована работа Ахмановой и др. (1978), в которой сообщалось, что в нескольких образцах из колонки реголита с Луны-24 методом ИК-спектрометрии были обнаружены содержания воды около 0.1 мас. % (1000 мкг/г) при чувствительности метода 0.01 мас. %. Авторы работы не отвергали возможности того, что обнаруженные содержания воды могли быть результатом загрязнения при транспортировке или хранении и отборе проб для анализа, но обращали внимание читателя на то, что в образцах Луны-16, -20, Apollo-11 и -12, которые ранее ими изучались, следов воды обнаружено не было, возможно, как они отметили, из-за более низкой (в 2—3 раза) чувствительности использовавшейся тогда аппаратуры. Другие исследователи лунного вещества на работу Ахмановой и др. (1978) внимания не обратили.
В 2008 г. была опубликована работа Saal и др. (2008), в которой описываются результаты изучения летучих компонентов, а также ряда породообразующих и редких элементов в очень низкотитанистых и низкотитанистых зеленых стеклах Apollo-15 (образец 15427) и высокотитанистых оранжевых стеклах Apollo-17 (образец 74 220) (рис. 1).
Зеленые стекла Apollo-15 и оранжевые стекла Apollo-17 — это шарики (и их обломки) поперечником в доли миллиметра. Они считаются пиро-кластическими вулканическими отложениями, образовавшимися при фонтанировании пикри-товой базальтовой лавы (Delano, 1986; Delano
и др., 1994; Shearer и др., 2006). Об их пирокласти-ческом происхождении свидетельствует сферическая форма слагающих их частиц, которая требует застывания капелек жидкой лавы в свободном полете, в сочетании с некоторыми особенностями их химического состава. К последним, в частности, относятся химическая однородность по содержанию нелетучих компонентов (например, Ti, Al, Cr, Fe, Mn, Mg, Ca, РЗЭ) и корреляция содержаний летучих и умеренно летучих компонентов (например, C, N, F, Na, S, Cl, Zn, Cd, Pb, Bi) на поверхности зерен и захваченных в газовых пузырьках внутри зерен. Поверхность частиц зеленых и оранжевых стекол сильно обогащена Zn, Pb, F и другими умеренно летучими компонентами, что связывают с конденсацией на их поверхности вулканических испарений (Delano, 1986; Taylor и др., 1991).
Считается, что газами, вызывающими фонтанирование лунных лав, являются СО2 и СО, образующиеся при окислении графита в лунной мантии (Fogel, Rutherford, 1995). Выделение CO должно также приводить к переходу в газ S и Cl. Включения в оранжевых стеклах с оливиновыми фенокристами содержат до 600 мкг/г S, тогда как в стеклах содержание S до 200 мкг/г, т.е. потеря около 400 мкг/г S (Weitz и др., 1999). В других работах того периода было найдено, что содержания серы в пикритовых стеклах составляют 170— 540 мкг/г, что в несколько раз меньше наблюдаемых значений в лунных базальтах, и сделан вывод о потере около 90% исходной серы в процессе извержения (Delano и др., 1994; Shearer и др., 1998).
Летучие компоненты в зеленых стеклах Apollo-15 и оранжевых стеклах Apollo-17 изучались Saal и др. (2008; 2009) методом локальной (пятно анализа 10 мкм) масс-спектрометрии вторичных ионов, а породообразующие и редкие элементы с помощью микрозонда. Изученные стекла — это 46 шариков, большинство диаметром от 100 до 400 мкм, некоторые
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.